Кипение. 
Молекулярная физика и термодинамика

В отличие от испарения кипение жидкости происходит только при определенной температуре.

Кипение представляет собой образование и выделение паров по всему объему жидкости, тогда как испарение связано с образованием пара с поверхности жидкости.

Механизм образования пара при кипении состоит в следующем. В жидкости всегда находится некоторое количество газа (воздуха). В поверхностном слое материала сосуда также содержится некоторое количество газа. При нагревании сосуда газ выделяется прежде всего с поверхности дна, образуя газовые пузырьки. В эти пузырьки происходит испарение жидкости, в результате этого каждый пузырек будет содержать насыщенный пар и некоторое количество воздуха. Давление газа и пара при этом противодействует гидростатическому давлению столба жидкости над пузырьком и внешнему давлению на свободную поверхность жидкости, передаваемому по закону Паскаля на пузырек. Так как с ростом температуры давление насыщающего пара возрастает, то при нагревании жидкости пузырек увеличивается в размерах. При достижении соответствующего объема сила Архимеда оказывается достаточной для отрыва его от дна и подъема вверх в менее прогретые слои жидкости (рис. 18).

Когда же температура всех слоев жидкости принимает одинаковое значение, объем пузырьков при подъеме вверх увеличивается. Увеличение объема связанное с падением гидростатического давления, так как уменьшилось расстояние до свободной поверхности жидкости. Давление же насыщенного пара остается при этом постоянным соответствующим данному знамению температуры.

Рис. 18.

Достигая поверхности жидкости, пар из пузырьков вырывается наружу, когда давление насыщенного пара в них будет равно наружному давлению, производимому на свободную поверхность жидкости. Заметим, что давлением воздуха в пузырьке можно пренебречь. При наружном давлении, равном нормальному атмосферному давлению (760 мм рт. ст.), температура насыщенного пара в пузырьке равна 100 °C. Это и есть температура кипения воды, называемая также точкой кипения.

Если же давление на свободную поверхность жидкости увеличивается, то и соответственно давление насыщенного пара тоже должно увеличиться. Это означает повышение его температуры и соответственно температуры кипения.

Как видим, кипение возможно только при определенной температуре, когда давление насыщаемого пара равно внешнему давлению, производимому на поверхность жидкости. При повышении этого давления температура кипения повышается, а при снижении давления температура кипения уменьшается.

Если сосуд герметически закрыт, то образующиеся при кипении пары создают высокое давление на поверхность жидкости, поэтому начавшийся процесс кипения вначале приостанавливается, а затем начинается вновь, но уже при более высокой температуре. На тепловых электростанциях, например, используется пар, получаемый при температуре 500 °C и выше. В специальных устройствах с герметической крышкой (автоклавах) температура кипения воды может составлять порядка 300 °C, что используется в медицине для стерилизации инструментов.

Снижение температуры кипения воды наблюдается в горах, где атмосферное давление понижено. Например, в горах на высоте 7000 м вода в открытом сосуде кипит при температуре около 70 °C.

Историческая справка. Архимед (ок. 287−212 до н.э.) — древнегреческий ученый. Научные труды относятся к математике, механике, физике, астрономии. Заложил основы гидростатики. В сочинении о"0 плавающих телах" содержатся основные положения гидростатики, в частности ее основной закон (закон Архимеда).

Паскаль Блез (1623−1662) — французский математик, физик и философ. Физические исследования относятся к гидростатике. В 1653 г. сформулировал основной закон гидростатики: давление передается во все стороны жидкости одинаково, установил принцип действия гидравлического пресса.